上海微系統(tǒng)所衛(wèi)星激光通信用高精度MEMS快反鏡取得進展
中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感器技術(shù)全國重點實驗室制備的MEMS快反鏡鏡面尺寸大，封裝體積小，并具備良好的線性度、角分辨率、響應(yīng)速度、重復定位精度和鏡面動態(tài)形變，同時集成了高靈敏度角度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的激光光束閉環(huán)控制，在激光衛(wèi)星通信方面具有巨大的應(yīng)用潛力。近日，相關(guān)成果以“A high-performance 10 mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links”為題發(fā)表于微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域一區(qū)學術(shù)期刊《Microsystems & Nanoengineering》，論文的第一作者為博士研究生薛文立，通信作者為武震宇研究員和王櫟皓助理研究員。 
快反鏡在衛(wèi)星激光通信中承擔著光束的指向、捕獲和跟蹤等重要作用。為了滿足激光星間鏈路對高精度光束控制的需求，快反鏡需要具備高指向精度、高工作帶寬和高光學質(zhì)量等一系列極限性能指標。針對傳統(tǒng)機械快反鏡體積大、功耗高、存在遲滯，以及原有MEMS快反鏡鏡面小(3-6 mm)、帶寬低(<1 kHz)、無集成角度傳感器等問題，研究團隊在近五年間設(shè)計并開發(fā)了一系列適用于航空航天苛刻需求的高精度、高可靠MEMS快速反射鏡。
本工作中，研究團隊為解決現(xiàn)有產(chǎn)品鏡面尺寸小、動態(tài)帶寬不足等問題，開發(fā)了一種10 mm大口徑壓電驅(qū)動MEMS快反鏡(圖1)。該設(shè)計采用雙層異構(gòu)集成技術(shù)以實現(xiàn)更高的填充因子和諧振頻率。采用晶圓級鍵合工藝實現(xiàn)快反鏡的高均一制備，器件具備高線性度(99.95%)、超高角度分辨率(0.3 μrad)、快速階躍響應(yīng)(0.41 ms)以及高重復定位精度(圖2)。
圖1 封裝后的MEMS快反鏡
圖2 MEMS快反鏡測試結(jié)果：a雙軸轉(zhuǎn)角線性度；b角分辨率；c二維掃描重復定位精度；d雙軸階躍響應(yīng)
另外，該MEMS快反鏡集成了硅壓阻應(yīng)變原理的片上角度傳感器，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，創(chuàng)新性地引入力學定向結(jié)構(gòu)形成應(yīng)力集中區(qū)域(SCR)，將角度傳感器靈敏度從3.3 mV/(V·mrad)提升至5.4 mV/(V·mrad)，增幅達63%，顯著優(yōu)化了光束控制的精確性。
圖3壓阻角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖：a壓阻傳感器原理與硅晶體取向；b顯微鏡下SCR結(jié)構(gòu)圖像；c驅(qū)動電壓為90 VDC時壓阻位置正向應(yīng)力比較
在性能表征方面，首次針對10 mm大口徑鏡面動態(tài)變形進行表征(圖4)，結(jié)合理論計算、有限元仿真和實驗測試，證明在準靜態(tài)驅(qū)動(500 Hz@±2 mrad)下最大動態(tài)表面形變僅2 nm，滿足遠距離衛(wèi)星激光通信對鏡面面型的嚴苛要求。
圖4 鏡面動態(tài)形變的表征
綜上所述，本研究開發(fā)的一種高性能的10 mm大口徑壓電MEMS 快反鏡滿足激光星間鏈路對高精度、快速響應(yīng)與穩(wěn)定性的需求，為衛(wèi)星通信終端提供小型化高性能解決方案。與傳統(tǒng)機械快反鏡及現(xiàn)有商用MEMS快反鏡相比，該器件優(yōu)勢顯著，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。未來，研究團隊將繼續(xù)針對鏡面尺寸、閉環(huán)控制以及器件可靠性進行優(yōu)化研究。
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